【JVM】类加载的全过程

「前言」

在Java语言中，每个类或接口都会被编译器编译程一个个class字节码文件。

类加载则是将这些class字节码文件的二进制数据读入到内存中，并且对数据进行校验、解析、初始化。最终，每一个类都会在方法区保存一份它的元数据，在堆中创建一个与之对应的Class对象。

1. 类的生命周期需要经历7个阶段，分别是加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载
2. 类的加载过程则是前面5个阶段，分别是加载、验证、准备、解析、初始化，其中 验证、准备、解析 可以归纳为 “连接” 阶段。

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「加载」

加载阶段是类加载的第一个阶段。

在这个阶段，JVM的目的是将字节码从各个位置转化为二进制字节流加载到内存中，接着会为这个类在JVM的方法区创建一个对应的Class对象，这个 Class 对象就是这个类各种数据的访问入口。

也就是在这个阶段，虚拟机需要完成下面三件事情：

1. 通过一个类的全限定名去找到其对应的class文件
2. 将这个class文件内的二进制数据读取出来，转化成方法区的运行时数据结构
3. 在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口

注意：Java虚拟机并没有规定类的字节流必从.class文件中加载，在加载阶段，程序员可以通过自定义的类加载器，自行定义读取的地方，例如通过网络、数据库等。

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「验证」

在验证阶段，JVM完成了加载class字节码文件的步骤，并且在方法区创建对应的Class对象之后，JVM便会对这些字节码流进行校验，只有符合JVM规范的文件才能被JVM正确执行。

验证的过程，分为以下两个类型：

1. JVM 规范校验
   1. JVM 会对字节流进行文件格式校验，判断其是否符合 JVM 规范，是否能被当前版本的虚拟机处理。
   2. 例如，校验文件是否是以 0x cafe babe 开头，主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内等。
2. 代码逻辑校验
   1. JVM 会对代码组成的数据流和控制流进行校验，确保 JVM 运行该字节码文件后不会出现致命错误。
   2. 例如，一个方法要求传入 int 类型的参数，但是使用它的时候却传入了一个 String 类型的参数。

验证这个阶段虽然十分重要，但是不是必须，它对于程序的运行期没有影响。

如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

Java虚拟机允许程序员主动取消这个阶段，用来缩短类加载的时间，可以根据自身需求，使用 -Xverify:none参数来关闭大部分的类验证措施。

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「准备」

在准备阶段中，JVM将类变量分配内存并初始化。

Java 中的变量有类变量和类成员变量两种类型。「类变量」指的是被 static 修饰的变量，而其他所有类型的变量都属于类成员变量。

在准备阶段，JVM 只会为类变量分配内存，而不会为类成员变量分配内存。类成员变量的内存分配需要等到初始化阶段才开始。

public static int classVariable = 3;
public String classMemberVariable = "Java is good";

上述代码在准备阶段只会为classVariable分配内存而不会给classMemberVariable分配内存

在准备阶段，JVM 会为类变量分配内存并为其初始化。这里的初始化指的是为变量赋予 Java 语言中该数据类型的零值，而不是用户代码里初始化的值。

public static int sector = 3;

上述代码中，sector的值将会是0，而不会被赋值为3。

如果一个变量是常量（被 static final 修饰）的话，那么在准备阶段，变量便会被赋予用户希望的值。

final 关键字用在变量上，表示该变量不可变，一旦赋值就无法改变。所以，在准备阶段中，对类变量初始化赋值时，会直接赋予用户希望的值。

public static int sector = 3;

上述代码中，sector的值将会是3

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「解析」

这个阶段，虚拟机会把这个Class文件中，常量池内的符号引用转换为直接引用。主要解析的是 类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄等符号引用。

可以把解析阶段中，符号引用转换为直接引用的过程，理解为当前加载的这个类，和它所引用的类，正式进行“连接“的过程。

什么是符号引用？
Java代码在编译期间，是不知道最终引用的类型，具体指向内存中哪个位置的，这时候会用一个符号引用，来表示具体引用的目标是"谁"。Java虚拟机规范中明确定义了符号引用的形式，符合这个规范的前提下，符号引用可以是任意值，只要能通过这个值能定位到目标。

什么是直接引用？
直接引用就是可以直接或间接指向目标内存位置的指针或句柄。

引用的类型，还未加载初始化怎么办？
当出现这种情况，会触发这个引用对应类型的加载和初始化。

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「初始化」

初始化是类加载的最后一个步骤，初始化的过程，也就是执行类构造器 ()方法的过程

() 方法的作用是什么？

在准备阶段，已经对类中static修饰的变量赋予了初始值。() 方法的作用，就是给这些变量赋予程序员实际定义的“值”。同时类中如果存在static代码块，也会执行这个静态代码块里面的代码。

() 方法是什么？

() 方法 和 方法是不同的，它们一个是“类构造器”，一个是实例构造器。
Java虚拟机会保证子类() 方法在执行前，父类的 () 已经执行完毕。而 方法则需要显性的调用父类的构造器。
() 方法由编译器自动生成，但不是必须生成的，只有这个类存在static修饰的变量，或者类中存在静态代码块但时候，才会自动生成()方法。

当 JVM 遇到下面 5 种情况的时候会触发初始化

1. 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这 4 条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
   • 生成这 4 条指令的最常见的 Java 代码场景是使用 new 关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被 final 修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
2. 使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3. 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
4. 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含 main() 方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
5. 当使用 JDK 1.7 动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果是 REF_getstatic、REF_putstatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化时，则需要先出触发其初始化。

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「类加载机制」

当编译器将 Java 源码编译为字节码之后，虚拟机便可以将字节码读取进内存，从而进行解析、运行等整个过程。我们将这个过程称为 Java 虚拟机的类加载机制。

类加载机制中，通过类加载器（classloader）来完成类加载的过程。

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「类加载」

通过一个类全限定名称来获取其二进制文件（.class）流的工具，被称为类加载器（classloader）。

Java中支持4中类加载器

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

• 用于加载 Java 的核心类
• 它不是一个 Java 类，是由底层的 C++ 实现。因此，启动类加载器不属于 Java 类库，无法被 Java 程序直接引用。Bootstrap ClassLoader 的 parent 属性为 null

标准扩展类加载器（Extention ClassLoader)

• 由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现
• 负责加载 JAVA_HOME 下 libext 目录下的或者被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径中的所有类库

应用类加载器（Application ClassLoader)

• 由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现
• 负责在 JVM 启动时加载用户类路径上的指定类库

用户自定义类加载器（User ClassLoader)

• 当上述 3 种类加载器不能满足开发需求时，用户可以自定义加载器
• 自定义类加载器时，需要继承 java.lang.ClassLoader 类。如果不想打破双亲委派模型，那么只需要重写 findClass 方法即可；如果想打破双亲委派模型，则需要重写 loadClass 方法

classloader 类存在一个 parent 属性，可以配置双亲属性。默认情况下，JDK 中设置如下。

ExtClassLoader.parent=null;

AppClassLoader.parent=ExtClassLoader

//自定义
XxxClassLoader.parent=AppClassLoader

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「类加载特点」

「类加载机制」中，通过「类加载器（classloader）」来完成类加载的过程。Java 中的类加载机制，有如下 3 个特点

1. 双亲委派
   • JVM 中，类加载器默认使用双亲委派原则
2. 负责依赖
   • 如果一个加载器在加载某个类的时候，发现这个类依赖于另外几个类或接口，也会去尝试加载这些依赖项。
3. 缓存加载
   • 为了提升加载效率，消除重复加载，一旦某个类被一个类加载器加载，那么它会缓存这个加载结果，不会重复加载。

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「双亲委派」

双亲委派机制是一种任务委派模式，是 Java 中通过加载工具（classloader）加载类文件的一种具体方式。 具体表现为

1. 如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行。
2. 如果父类加载器还存在其父类加载器，**则进一步向上委托，依次递归，**请求最终将到达顶层的引导类加载器 BootstrapClassLoader。
3. 如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；倘若父类加载器无法完成加载任务，子加载器才会尝试自己去加载。
4. 父类加载器一层一层往下分配任务，如果子类加载器能加载，则加载此类；如果将加载任务分配至系统类加载器（AppClassLoader）也无法加载此类，则抛出异常。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查该类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    // 2. 有上级的话，委派上级 loadClass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派
                    BootstrapClassLoader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }
            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                c = findClass(name);
                // 5. 记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

上述代码的主要步骤如下

1. 先检查类是否已经被加载过
2. 若没有加载，则调用父加载器的 loadClass() 方法进行加载
3. 若父加载器为空，则默认使用启动类加载器作为父加载器
4. 如果父类加载失败，抛出 ClassNotFoundException 异常后，再调用自己的 findClass() 方法进行加载

ClassLoader 中和类加载有关的方法有很多，前面提到了 loadClass()，除此之外，还有 findClass() 和 defineClass() 等。这3个方法的区别如下

• loadClass()：默认的双亲委派机制在此方法中实现
• findClass()：根据名称或位置加载 .class 字节码
• definclass()：把 .class 字节码转化为 Class 对象

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「双亲委派优缺点」

双亲委派可以保证一个类不会被多个类加载器重复加载，并且保证核心 API 不会被篡改，其优点如下

1. 避免类的重复加载
   1. 通过双亲委派的方式，可以保证安全性 。因为 BootstrapClassLoader 在加载的时候，只会加载 JAVA_HOME 中的 jar 包里面的类，如 java.lang.String，那么这个类是不会被随意替换的，除非有人跑到你的机器上，破坏你的 JDK

其缺点如下：

1. 在双亲委派中，子类加载器可以使用父类加载器已经加载过的类，但是父类加载器无法使用子类加载器加载过的类（类似继承的关系）。

Java 提供了很多服务提供者接口（SPI，Service Provider Interface），它可以允许第三方为这些接口提供实现，比如数据库中的 SPI 服务 - JDBC。这些 SPI 的接口由 Java 核心类提供，实现者确是第三方。如果继续沿用双亲委派，就会存在问题，提供者由 Bootstrap ClassLoader 加载，而实现者是由第三方自定义类加载器加载。这个时候，顶层类加载就无法使用子类加载器加载过的类。

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参考：

1. JVM类加载机制、双亲委派和SPI机制 - 掘金